Come produrre in serie robot delle dimensioni di una cellula: La tecnica del MIT potrebbe portare a minuscole, dispositivi autoalimentati per l'ambiente, Inoltre puoi imparare la teoria dei loop e molti esempi relativi a While Loop, o monitoraggio medico.

Piccoli robot non più grandi di una cellula potrebbero essere prodotti in serie utilizzando un nuovo metodo sviluppato dai ricercatori del MIT. I dispositivi microscopici, che il team chiama "syncells" (abbreviazione di cellule sintetiche), potrebbe eventualmente essere utilizzato per monitorare le condizioni all'interno di un oleodotto o di un gasdotto, o per cercare la malattia mentre fluttui attraverso il flusso sanguigno.

Questa foto mostra cerchi su un foglio di grafene in cui il foglio è drappeggiato su una serie di pali rotondi, creando sollecitazioni che causeranno il distacco di questi dischi dal foglio. La barra grigia sul foglio è liquido utilizzato per sollevare i dischi dalla superficie. Immagine: Felice Frankel

La chiave per realizzare dispositivi così minuscoli in grandi quantità risiede in un metodo che il team ha sviluppato per controllare il naturale processo di fratturazione di particelle atomicamente sottili, materiali fragili, dirigendo le linee di frattura in modo che producano minuscole sacche di dimensioni e forma prevedibili. Incorporati all'interno di queste tasche ci sono circuiti elettronici e materiali che possono essere raccolti, documentazione, e dati di uscita.

Il processo del romanzo, chiamato “autoperforazione,” è descritto in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Materiali della natura, del professor Michael Strano del MIT, postdoc Pingwei Liu, studente laureato Albert Liu, e altri otto al MIT.

Il sistema utilizza una forma bidimensionale di carbonio chiamata grafene, che forma la struttura esterna delle minuscole sincelle. Uno strato del materiale è adagiato su una superficie, poi minuscoli puntini di un materiale polimerico, contenente l'elettronica per i dispositivi, vengono depositati da una sofisticata versione da laboratorio di una stampante a getto d'inchiostro. Poi, sopra viene posato un secondo strato di grafene.

Frattura controllata

La gente pensa al grafene, un materiale ultrasottile ma estremamente resistente, come "floppy,” ma in realtà è fragile, Strano spiega. Ma piuttosto che considerare quella fragilità un problema, il team ha capito che poteva essere usato a proprio vantaggio.

“Abbiamo scoperto che puoi usare la fragilità,” says Strano, chi è il Carbon P. Dubbs Professore di Ingegneria Chimica al MIT. “È controintuitivo. Prima di questo lavoro, se mi dicessi che potresti fratturare un materiale per controllarne la forma su scala nanometrica, Sarei stato incredulo”.

Ma il nuovo sistema fa proprio questo. Controlla il processo di fratturazione in modo che invece di generare frammenti casuali di materiale, come i resti di una finestra rotta, produce pezzi di forma e dimensioni uniformi. “Quello che abbiamo scoperto è che puoi imporre un campo di deformazione per guidare la frattura, e puoi usarlo per la fabbricazione controllata,” Strano says.

Quando lo strato superiore di grafene viene posizionato sopra la matrice di punti polimerici, che formano forme di pilastri rotondi, i punti in cui il grafene ricopre i bordi arrotondati dei pilastri formano linee di forte tensione nel materiale. Come lo descrive Albert Liu, “immagina una tovaglia che cade lentamente sulla superficie di un tavolo circolare. Si può facilmente visualizzare la tensione circolare in via di sviluppo verso i bordi del tavolo, ed è molto simile a ciò che accade quando un foglio piatto di grafene si piega attorno a questi pilastri polimerici stampati.

Di conseguenza, le fratture sono concentrate proprio lungo quei confini, Strano says. “E poi accade qualcosa di piuttosto sorprendente: Il grafene si spezzerà completamente, ma la frattura sarà guidata attorno alla periferia del pilastro. Il risultato è pulito, pezzo rotondo di grafene che sembra essere stato ritagliato di netto da un microscopico perforatore.

Perché ci sono due strati di grafene, sopra e sotto i pilastri in polimero, i due dischi risultanti aderiscono ai loro bordi per formare qualcosa come una minuscola tasca di pane pita, con il polimero sigillato all'interno. “E il vantaggio qui è che questo è essenzialmente un singolo passaggio,” in contrasto con molti passaggi complessi della camera bianca necessari ad altri processi per provare a realizzare dispositivi robotici microscopici, Strano says.

I ricercatori hanno anche dimostrato che altri materiali bidimensionali oltre al grafene, come il bisolfuro di molibdeno e il boronitruro esagonale, funzionano altrettanto bene.

Robot simili a cellule

Di dimensioni variabili da quelle di un globulo rosso umano, di 10 micrometri di diametro, fino a circa 10 volte quella dimensione, questi minuscoli oggetti “iniziano ad apparire e comportarsi come una cellula biologica vivente. Infatti, sotto un microscopio, probabilmente potresti convincere la maggior parte delle persone che si tratta di una cellula,” Strano says.

Questo lavoro segue precedenti ricerche di Strano e dei suoi studenti sullo sviluppo di syncells che potrebbero raccogliere informazioni sulla chimica o altre proprietà dell'ambiente circostante utilizzando sensori sulla loro superficie, e memorizzare le informazioni per il successivo recupero, ad esempio iniettando uno sciame di tali particelle in un'estremità di una tubazione e recuperandole dall'altra per ottenere dati sulle condizioni al suo interno. Mentre i nuovi syncells non hanno ancora tante capacità come quelli precedenti, quelli sono stati assemblati individualmente, mentre questo lavoro dimostra un modo per produrre facilmente tali dispositivi in ​​serie.

A parte i potenziali usi delle syncells per il monitoraggio industriale o biomedico, il modo in cui sono realizzati i minuscoli dispositivi è di per sé un'innovazione con un grande potenziale, secondo Alberto Liu. “Questa procedura generale di utilizzo della frattura controllata come metodo di produzione può essere estesa a molte scale di lunghezza," lui dice. “[Potrebbe potenzialmente essere utilizzato con] essenzialmente qualsiasi materiale 2-D di scelta, in linea di principio, consentendo ai futuri ricercatori di adattare queste superfici atomicamente sottili in qualsiasi forma o forma desiderata per applicazioni in altre discipline.

Questo è, Dice Alberto Liu, "uno degli unici modi disponibili in questo momento per produrre microelettronica integrata autonoma su larga scala" che può funzionare come indipendente, dispositivi fluttuanti. A seconda della natura dell'elettronica all'interno, i dispositivi potrebbero essere dotati di capacità di movimento, rilevamento di varie sostanze chimiche o altri parametri, e archiviazione della memoria.

Esiste un'ampia gamma di potenziali nuove applicazioni per tali dispositivi robotici delle dimensioni di una cella, says Strano, che descrive in dettaglio molti di questi possibili usi in un libro di cui è coautore con Shawn Walsh, un esperto presso i laboratori di ricerca dell'esercito, a questo proposito, chiamato “Sistemi robotici e piattaforme autonome,” che viene pubblicato questo mese da Elsevier Press.

Come dimostrazione, il team ha “scritto” le lettere M, io, e T in un array di memoria all'interno di una syncell, che memorizza le informazioni come livelli variabili di conduttività elettrica. Queste informazioni possono quindi essere "lette" utilizzando una sonda elettrica, mostrando che il materiale può funzionare come una forma di memoria elettronica in cui i dati possono essere scritti, leggere, e cancellato a piacimento. Può anche conservare i dati senza bisogno di alimentazione, consentire la raccolta delle informazioni in un secondo momento. I ricercatori hanno dimostrato che le particelle sono stabili per un periodo di mesi anche quando galleggiano nell'acqua, che è un solvente aggressivo per l'elettronica, secondo Strano.

“Penso che apra un kit di strumenti completamente nuovo per micro- e nanofabbricazione," lui dice.

Daniele Goldmann, un professore di fisica alla Georgia Tech, che non è stato coinvolto in questo lavoro, dice, «Le tecniche sviluppate dal gruppo del professor Strano hanno il potenziale per creare dispositivi intelligenti su microscala in grado di svolgere insieme compiti che nessuna singola particella può svolgere da sola».

fonte:

http://news.mit.edu, da David L. droghiere